JP6467621B2 - ブラシレスｄｃモータの駆動装置およびそれを搭載した換気送風装置 - Google Patents

Description

本発明は、換気送風装置、例えば、レンジフードに使用されるブラシレスＤＣモータの駆動装置の起動および運転方法に関するものである。

近年、この種のブラシレスＤＣモータやその駆動装置は、効率が良く省電力で耐久性に優れていることから換気送風装置、例えばレンジフード、天井埋込形換気扇、空気清浄機や天井扇等に搭載されるようになってきた。換気送風装置は低コスト化、小型化や低騒音化の要求から、ブラシレスＤＣモータやその駆動装置の低コスト化、小型化や低騒音化が求められている。

図８は、従来のレンジフードにブラシレスＤＣモータを搭載し、実際に台所に設置された例を示している。図８（ａ）はレンジフードの説明図であり、レンジフード１１９はキャビネット１１８の内部にブラシレスＤＣモータ１０２およびモータ制御回路１１５を取り付けた構造である。そして、ブラシレスＤＣモータ１０２はモータ駆動回路１１１が内蔵され、モータ制御回路１１５から出力される目標速度によって運転される。また、ブラシレスＤＣモータ１０２には送風ファン１２２を取り付け、レンジフード１１９の下部にフード１２１およびフィルタ１２０が取り付けられた構造としている。台所で調理する時に発生する熱気、煙や蒸気はブラシレスＤＣモータ１０２に取り付けられた送風ファン１２２が回転することによって、フード１２１の中央部分よりフィルタ１２０を通して送風される。

図８（ｂ）はレンジフードの設置状態を示し、レンジフード１１９は送風ファン１２２の回転によって送風し、台所のある室内から外壁１２４に設けられた排気口１２３を通して、熱気、煙や蒸気を室外に排出させる。

従来のモータ駆動回路は、小型化、低コスト化や低騒音化の観点から、回転子の位置検出は、磁気センサを用いないセンサレス正弦波駆動の方式が採用されることが多く、例えば、非特許文献１に記載されているものがある。

非特許文献１では、実際に測定した巻線電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを３相、２相変換してＩα，Ｉβに変換し、さらに、ｄ軸、ｑ軸に座標軸変換してＩｄ，Ｉｑを算出する。そして、誘起電圧のｄ軸上の電圧Ｅｄを等価回路方程式より計算し、Ｅｄの目標値Ｅｄ＝０との差を用いてＰＩ制御により推定速度（角速度）ωおよび推定位置θを求めている。誘起電圧が回路方程式に含まれることから、誘起電圧が大きい高速運転時では位置推定の精度が高い。しかし、停止時や起動時では、誘起電圧がないか、小さくなるので、推定速度ωおよび推定位置θの計算が不能となる。

このような場合、巻線にある方向の直流電流を流して、回転子をその磁軸に一致させて位置決めをして、その後、低周波同期起動制御によって正弦波駆動で起動させ、速度が上昇し、誘起電圧が大きくなった所で、センサレス正弦波駆動方式で運転させる方法がとられている。

また、突極性の回転子の場合、位置によってインダクタンスが異なり、流れるモータ電流が変化するという性質を利用して回転子の位置を推定する。その後、低周波同期起動制御で起動させ、速度が上昇し、誘起電圧が大きくなった所で、センサレス正弦波駆動方式で運転させる方法がとられている。

従来のモータ駆動回路の他の方法は、回転子の位置検出は磁気センサを３個用いて回転子位置信号に基づいて起動させ、誘起電圧が大きくなった所で、センサレス矩形波駆動方式で運転させる方式が開示されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１によると、起動時には３個の磁気センサの信号により位置検出をして矩形波駆動方式で起動させる。そして、回転数が上昇し、誘起電圧が大きくなった所で、３相の誘起電圧と巻線の中性点電圧を比較する比較回路とスパイクを除くフィルタ回路によって出力される３つの信号よりセンサレスで回転子位置を検出して矩形波通電方式で運転させる。このように、センサレスにすることによって、磁気センサの位置や磁石の着磁の誤差によって生じる騒音を防止している。

特開２０１４−８７１１３号公報

ブラシレスＤＣモータのベクトル制御技術 江崎雅康 ＣＱ出版社

このような従来の非特許文献１の構成では、特に、レンジフードのように羽根が大型で重い場合、羽根が確実に停止して位置決めが完了するまでに長い時間が掛かり、さらに低周波同期起動制御して運転しなければならないので、熱気、煙や蒸気をすばやく排出できないという課題があった。

また、運転中に、一旦停止し、その後すぐに運転したい場合、羽根が大型で重いので、羽根の空転が長い時間続き、一旦止まってから位置決めして、さらに低周波同期起動制御して運転しなければならないため、さらに時間が掛かるという課題があった。

また、空転時に３相の巻線に発生する誘起電圧を比較することにより回転子の位置を推定する方法もあるが、羽根の回転が低速になると、誘起電圧が小さいために推定不能になるという課題があった。

表面磁石の回転子の場合、非突極のため位置によってインダクタンスの変化が無く、回転子の位置が推定できずに、結局、位置決めをしなければならず、運転するまでに時間が掛かるという課題があった。

また、運転時はセンサレスでも矩形波通電方式のため、特に、レンジフードのように羽根が大型で重い場合、騒音や振動が発生するという課題があった。 そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、羽根が大型で重い場合においても、すばやく起動して運転することができるとともに、起動時から運転時にかけて正弦波駆動して低騒音にすることができる駆動装置を提供する。

そして、この目的を達成するために本発明は、直流電源に複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータ回路とシャント抵抗を接続し、前記インバータ回路を介して接続された３相の巻線が巻かれた固定子と表面磁石が施された回転子を有するブラシレスＤＣモータと、目標速度を設定する目標速度設定手段と、前記シャント抵抗に発生する電圧を入力し、モータ電流に変換するモータ電流変換手段と、前記回転子の磁極から回転子位置を検出する１個の磁気センサと、起動時には、前記磁気センサから得られる回転子位置信号に基づいて回転子位置および速度を推定してモータ電圧制御手段に出力する起動強制運転手段と、運転時においては、前記モータ電流変換手段から出力されたモータ電流から回転子位置および速度を推定する位置推定手段と、回転子位置および速度と、前記目標速度設定手段から出力される目標速度との差からモータ電圧を決定し、前記インバータ回路に出力する前記モータ電圧制御手段とを備え、起動時においては、前記モータ電圧制御手段は、前記起動強制運転手段が決定した回転子位置および速度の信号を入力してモータ電圧を決定することにより低周波同期制御で前記回転子を回転させ、前記低周波同期制御により前記回転子が回転することで前記磁気センサから得られる回転子位置信号が変化すると、前記起動強制運転手段は前記変化した回転子位置信号に基づいて前記回転子の位置と速度と補正し、前記モータ電圧制御手段は、補正された前記位置と前記速度とに基づいて回転子の速度を増加させてモータ電流による位置推定に切り替えるための目標速度にし、前記モータ電流による位置推定に切り替えるための目標速度になった後の運転時においては、前記モータ電圧制御手段は、前記位置推定手段が決定した回転子位置および速度の信号と、前記目標速度設定手段により設定された目標速度とを入力し、モータ電圧を決定して正弦波駆動するブラシレスＤＣモータの駆動装置とする。

本発明によれば、起動時は１個の磁気センサを使用し、その後、運転時はシャント抵抗を使用して、回転子位置および速度を推定して正弦波駆動するので、羽根が大型で重い場合においても、確実に回転子位置および速度を推定し、素早く起動するとともに、運転時はセンサレスで駆動し、起動時から運転時にわたって正弦波駆動するので、低騒音にすることができる。

本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置の構成図 同、回転子の速度および位置を推定するブロック図 同、起動時の（ａ）回転子位置信号、（ｂ）回転子の位置θ、（ｃ）回転子の速度ωのタイムチャート図 同、空転時の（ａ）回転子位置信号、（ｂ）回転子の位置θ、（ｃ）回転子の速度ωのタイムチャート図 同、脱調時の（ａ）回転子位置信号、（ｂ）回転子の位置θ、（ｃ）回転子の速度ωのタイムチャート図 同、速度出力手段の具体的な図 本発明のブラシレスＤＣモータの駆動装置を搭載したレンジフードの説明図 従来のレンジフードの（ａ）構成外略図、（ｂ）設置状態の図

本発明の請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、直流電源に複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータ回路とシャント抵抗を接続し、前記インバータ回路を介して接続された３相の巻線が巻かれた固定子と表面磁石が施された回転子を有するブラシレスＤＣモータと、目標速度を設定する目標速度設定手段と、前記シャント抵抗に発生する電圧を入力し、モータ電流に変換するモータ電流変換手段と、前記回転子の磁極から回転子位置を検出する１個の磁気センサと、起動時には、前記磁気センサから得られる回転子位置信号に基づいて回転子位置および速度を推定してモータ電圧制御手段に出力する起動強制運転手段と、運転時においては、前記モータ電流変換手段から出力されたモータ電流から回転子位置および速度を推定する位置推定手段と、回転子位置および速度と、前記目標速度設定手段から出力される目標速度との差からモータ電圧を決定し、前記インバータ回路に出力する前記モータ電圧制御手段とを備え、起動時においては、前記モータ電圧制御手段は、前記起動強制運転手段が決定した回転子位置および速度の信号を入力してモータ電圧を決定することにより低周波同期制御で前記回転子を回転させ、前記低周波同期制御により前記回転子が回転することで前記磁気センサから得られる回転子位置信号が変化すると、前記起動強制運転手段は前記変化した回転子位置信号に基づいて前記回転子の位置と速度と補正し、前記モータ電圧制御手段は、補正された前記位置と前記速度とに基づいて回転子の速度を増加させてモータ電流による位置推定に切り替えるための目標速度にし、前記モータ電流による位置推定に切り替えるための目標速度になった後の運転時においては、前記モータ電圧制御手段は、前記位置推定手段が決定した回転子位置および速度の信号と、前記目標速度設定手段により設定された目標速度とを入力し、モータ電圧を決定して正弦波駆動するブラシレスＤＣモータの駆動装置である。

起動時においては、１個の磁気センサから得られる回転子位置信号に基づいて低周波同期制御を行い、回転子位置および速度の信号を推定し、低周波同期制御後の運転時においては、モータ電流変換手段から出力されるモータ電流から回転子位置および速度を推定して、正弦波駆動するので、羽根が大型で重い場合においても、確実に回転子位置および速度を推定し、素早く起動するとともに、起動時から運転時において正弦波駆動で回転するので、低騒音にすることができる。

本発明の請求項２記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、起動時に磁気センサの回転子位置信号を入力し、信号が変化して回転子が空転していると判断した場合、回転子位置信号に基づいて回転子位置および速度の信号を推定してモータ電圧制御手段に出力する起動強制運転手段を備え、起動時において回転子が回転している場合、モータ電圧制御手段は、前記起動強制運転手段が推定した回転子位置および速度の信号を入力し、モータ電圧を決定し、低周波同期制御を行わないで運転するものである。

起動時に回転子が回転している場合、回転子が停止するまで待つ必要はなく、低周波同期制御も不要になり、そのまま運転できるので、素早く運転状態とすることができる。

本発明の請求項３のブラシレスＤＣモータの駆動装置は、磁気センサから得られる回転子位置信号を速度信号に変換する速度出力手段と、前記速度出力手段が出力する速度信号と前記目標速度設定手段が出力する目標速度を比較し、前記回転子の回転速度が、前記目標速度設定手段が出力する目標速度に到達していないと判断した場合、目標速度設定手段に脱調信号を出力する脱調判断手段とを備え、前記目標速度設定手段は、前記脱調判断手段が出力する脱調信号を入力して、前記目標速度設定手段が出力する目標速度を一旦停止に切り替えた後、再び前記モータ電流による位置推定に切り替えるための目標速度を設定して再度起動させるものである。

運転時において、脱調判定手段は、モータ電流より推定した位置推定手段の速度によらず、磁気センサによる速度信号により、回転子が停止し脱調していると判断するので、信頼性の高いブラシレスＤＣモータの駆動装置が得られる。

本発明の請求項４の換気送風装置は、請求項１乃至３のブラシレスＤＣモータ駆動装置を搭載したものである。

羽根が大型で重い場合においても、素早く起動し、例えば、熱気、煙や蒸気をすばやく排出でき、また、羽根が空転している場合でもそのまま素早く起動でき、異音の発生が無い換気送風装置が得られる。

また、起動時から運転時にわたって正弦波駆動で回転するので、低騒音にすることができ、さらに、運転時に羽根が停止しブラシレスＤＣモータが脱調していても、磁気センサにより停止していることがわかるので、再起動でき、信頼性の高い換気送風装置が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１はブラシレスＤＣモータ２、モータ駆動回路１１およびモータ制御回路１５の構成を示すものである。モータ制御回路１５はブラシレスＤＣモータ２を目標速度で回転させるために、目標速度設定手段１６からモータ駆動回路１１のモータ電圧制御手段８に目標速度を指示する。そして、モータ電圧制御手段８は、目標速度と現在の速度を比較し、目標速度になるようにモータ電圧を決定してインバータ回路１に出力し、ブラシレスＤＣモータ２にモータ電流を流して正弦波駆動で回転させる。

図に示すように、直流電源１２は、インバータ回路１とシャント抵抗５を接続し、インバータ回路１に直流電圧を供給する。インバータ回路１は３相インバータブリッジの構成であり、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３はそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ相の上アームスイッチング素子であり、同様にＱ４，Ｑ５，Ｑ６はそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ相の下アームスイッチング素子である。各スイッチング素子には、それぞれ並列に還流ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６を接続する。ブラシレスＤＣモータ２は固定子３と回転子４から構成され、固定子３には３相巻線ＬＵ，ＬＶ，ＬＷ、回転子４には表面磁石が配置されている。そして、モータ電圧制御手段８がインバータ回路１のスイッチング素子をスイッチングすることにより、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを３相巻線に供給する。シャント抵抗５はＲｕ、Ｒｖ、Ｒｗが配置され、３相巻線に流れるモータ電流が流れ、スイッチング周期ごとに発生する電圧をモータ電流変換手段６に出力する。

図２は回転子の速度および位置を推定するブロック図であり、以下図を参照しながら説明する。

モータ電流変換手段６は、シャント抵抗５から出力された３相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを３相、２相変換してＩα，Ｉβに変換し、さらに、ｄ軸、ｑ軸に座標軸変換してＩｄ，Ｉｑを算出し、位置推定手段７に出力する。

位置推定手段７は、回転子４の速度ωおよび位置θを推定する。具体的には、位置推定値の誤差から発生するｄ軸方向の誘起電圧Ｅｄを式１から計算する。さらに、Ｅｄ＝０になるように速度ωの変化量を、ＰＩ制御を用いて計算して速度ωを推定する。位置θは前回の位置θｚに速度ωとスイッチング周期ｔｓの積を加えて計算する。

Ｅｄ＝Ｖｄ−Ｒ×Ｉｄ＋ω×Ｌｄ×Ｉｑ ・・・・・・・・・式１
ただし、Ｅｄ：ｄ軸誘起電圧、
Ｖｄ：ｄ軸印加電圧、
Ｒ：巻線抵抗
ω：速度、
Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス、
Ｉｄ：ｄ軸電流
Ｉｑ：ｑ軸電流
θ＝θｚ＋ω×ｔｓ ・・・・・・・・・式２
モータ電圧制御手段８は位置推定手段より求めた回転子４の速度ωと位置θより実際の速度が目標速度になるようなトルク、すなわちｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆを求める。これは、いわゆるＩｄ＝０制御を使用して、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆ＝０となるようにＩｑｒｅｆの大きさを、ＰＩ制御を用いて算出する速度制御を行う。

さらに、実際の電流Ｉｄ，Ｉｑが目標の電流値Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆになるように電圧指令値Ｖｄ，Ｖｑを、ＰＩ制御を用いて算出する電流制御を行う。

電圧指令値Ｖｄ，Ｖｑはα、β軸に座標変換してＶα，Ｖβを算出する。さらに３相のモータ電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの信号に２相３相変換し、インバータ回路１に出力する。

インバータ回路１は、モータ電圧の信号により、スイッチング素子をスイッチングしてモータ電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを３相巻線に加え、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを流し、ブラシレスＤＣモータを回転させるものである。

次に、停止時や起動時は、速度が低く、ｄ軸方向の誘起電圧が小さいため、速度ωや位置θが計算できないので、磁気センサ１３を使用して起動させる。以下、図１および図２を参照しながら説明する。

磁気センサ１３は、モータ駆動回路１１の回転子４の近傍に配置され、回転子４の位置を検出し、回転子位置信号を起動強制運転手段１０に出力する。

起動強制運転手段１０は、回転子位置信号より初期の回転子位置θと、経過時間毎に強制的に回転子の位置を進めるテーブルと回転子位置θの単位時間当たりの角度を速度ωとして計算し、テーブルを作成する。また、その後、磁気センサ１３の回転子位置信号が変化すると、変化する毎に回転子の位置θを補正し、速度ωを計算してテーブルを補正する。

モータ制御回路１５はブラシレスＤＣモータ２を停止から起動するために、目標速度設定手段１６からモータ駆動回路１１のモータ電圧制御手段８に目標速度を指示する。また、モータ電圧制御手段８は、起動強制運転手段１０から初期の回転子位置θと、強制的に回転子４の位置θを進めるテーブルと速度ωのテーブルを入力し、モータ電圧を計算してインバータ回路１に出力し、ブラシレスＤＣモータ２を回転させる。回転子４が回転すると、磁気センサ１３の回転子位置信号が変化するので、起動強制運転手段１０は回転子位置信号が変化する毎に回転子４の位置θを補正し、速度ωを計算して補正する。モータ電圧制御手段８は、補正された位置θと速度ωを用いてモータ電圧を計算してインバータ回路１に出力する。そして、位置θと速度ωのテーブルに基づいてブラシレスＤＣモータ２を回転させる、いわゆる低周波同期制御を行い、目標速度をまず、低周波同期制御からモータ電流による位置推定に切り替える目標速度になるように制御する。モータ電圧の計算方法については、位置推定手段７の位置θと速度ωを用いたものと同じなので、説明を省略する。

モータ電圧制御手段８は、低周波同期制御からモータ電流による位置推定に切り替える目標速度になると、ｄ軸方向の誘起電圧が大きくなり、モータ電流より位置推定ができるようになるので、位置推定手段７に切り替える。そして、目標速度をモータ電流による位置推定に切り替える目標速度から、本来の目標速度設定手段１６が指示している目標速度に変更して、目標速度で回転させる。

図３は、ａ）磁気センサ１３の回転子位置信号、ｂ）回転子４の位置θのテーブル、およびｃ）回転子４の速度ωである。図３は、実際に起動強制運転手段１０によって停止からテーブルにしたがって起動し、その後、位置推定手段７に切替えた時の推移を示す。起動時に回転子４が停止している時、起動強制運転手段１０は磁気センサ１３の回転子位置信号Ｌを入力すると、回転子４の初期回転子位置推定値を１８０°、速度（角速度）０ｒａｄ／ｓをモータ電圧制御手段８に出力する。その後、低周波同期制御により、回転子の位置推定を強制的に１８０°から逐次３６０°に向かって上昇させる。この時、３６０°になる前に回転子位置信号が、Ｈに変化すると、位置推定を０°に設定して、０°から逐次上昇させ、位置の補正Ａをする。３６０°になっても回転子位置信号が来ない場合は、３６０°の状態を続けて、位置推定の補正をする。さらに、次の回転子位置信号がＬに変化すると、同様に推定位置を１８０°に設定して位置の補正Ｂを行う。図は、位置推定が１８０°になっても回転子位置信号がＬにならなかった場合を示す。

速度は、起動時に低周波同期制御の位置の変化より定まる速度とするが、その後、回転子位置信号が変化し、変化の経過時間から速度を求められるようになると、磁気センサから求めた実際の速度ωに切り替える。回転子位置信号が変化し、位置推定が０°か１８０°に補正した時に、その経過時間より算出し、モータ電圧制御手段８に出力する。まず、起動時は速度０ｒａｄ／ｓをモータ電圧制御手段８に出力する。その後、回転子位置信号Ｈを入力しさらに、回転子位置信号Ｌを入力すると、その経過時間ｔ１と回転した角度１８０°から、速度１８０／ｔ１を算出する。さらにその後、回転子位置信号Ｈを入力すると、その経過時間ｔ２と回転した角度１８０°から回転数１８０／ｔ１を算出する。その後、回転子位置信号からモータ電流に位置推定の信号を切り替える目標回転数まで同様な回転数の算出を繰り返す。

これにより、起動時は、磁気センサ１３と低周波同期制御により、回転子４の位置θと速度ωを推定するので、羽根が大型で重い場合においても、確実に回転子位置および速度を推定し、素早く起動する。さらに、運転時はモータ電流によって回転子４の位置θと速度ωを推定し、正弦波で駆動するので、低騒音にすることができる。

また、従来の特許文献１の構成では、起動時には磁気センサが３個必要となり、運転時には比較回路とフィルタ回路で構成された別の位置検出回路が必要となるため、コストが高くなったり、回路のスペースが必要で大型になったりするという課題があったが、これにより、起動時は磁気センサ１個のみで、運転時はシャント抵抗のみで、特別な位置検出回路は不要になるので、コストが安きでき、回路のスペースが小さくすることができる。

ここで、回転子位置信号の初期値はＬの場合の図を示したが、Ｈの場合も同様に制御する事ができるので、説明を省略する。また、初期位置推定値は１８０°とし、初期位置から逐次３６０°に向かって上昇させる速度については規定していないが、羽根の大きさや重さによって定まった値ではなく、値の調整が必要となる。

次に、起動時に回転子４が空転している場合の起動強制運転手段１０の動作について、図４を用いて説明する。図４は、ａ）磁気センサの回転子位置信号、ｂ）回転子４の位置θのテーブル、およびｃ）回転子４の速度ωである。

起動強制運転手段１０は、起動時に磁気センサ１３の回転子位置信号を常に入力して、信号の変化時時間ｔｋを測定し、回転子４の停止／空転の判断時間ｔｋｕと比較する。そして、比較結果が空転の場合、速度ω＝１８０／ｔｋを算出する。そして、磁気センサ１３の立ち上り信号（Ｌ→Ｈ）が入力された時、回転子４の位置θを０°とする。そして、速度ωに基づいて位置θを増加させ、位置θと速度ωをモータ電圧制御手段８に出力する。モータ電圧制御手段８は、回転子４の位置θと速度ωに基づいてモータ電圧の出力を開始し、低周波同期制御からモータ電流による位置推定に切り替える目標速度になるように制御する。目標速度になると、位置推定手段７を用いてモータ電流による位置推定に切り替え、運転するようにしたものである。

これによって、起動時に回転子４が回転している場合、回転子４が停止するまで待つ必要はなく、速度ωにあわせて低周波同期制御をして、その後、運転できるので、素早く起動し運転状態とすることができる。

また、羽根が空転している時に、ブレーキ制御によって羽根を急停止させ、その後位置決めをする方法もあるが、羽根が急停止すると反動により異音が発生し、人の耳の近くで運転するレンジフードにおいては、違和感のある音になるという課題があったが、これにより、素早く起動することができるので、ブレーキ制御をする必要が無くなり、異音の発生が無く、低騒音で起動できる。

また、図１に示すように、磁気センサ１３の回転子位置信号から速度信号に変換する速度出力手段１４と、速度信号から脱調を判断する脱調検出手段１７を併せて備えても良い。図５、図６を用いて、脱調検出手段１７について説明する。図５はａ）速度出力手段の速度信号、ｂ）回転子４の位置θ、およびｃ）回転子４の速度ωである。

第３の実施の形態における速度出力手段１４は、磁気センサ１３が出力する回転子位置信号を速度信号に変換して脱調検出手段１７に出力する。具体的には図６に示すようにトランジスタで構成されている。図５に示すように、脱調検出手段１７は、速度信号を常に入力して、信号の変化の間隔ｔｄを測定し、回転子４の停止／回転を判定する間隔ｔｄｓと比較する。そして、比較結果が回転のとき、目標速度設定手段１６の目標速度が停止ではなく、具体的に設定されている場合は、モータ駆動回路１１が脱調していると判断して、目標速度設定手段１６に脱調信号を出力する。目標速度設定手段１６は脱調信号を入力して、目標速度を停止に切り替え、再び目標速度を設定して再度起動させるようにしたものである。

ここで、例えば、ブラシレスＤＣモータ２のロックで回転子４が目標速度で回転中に、突然停止することがある。また、位置推定手段７が回転子４の突然の停止を検出できずに、目標速度で回転していると認識し、いわゆるモータ駆動回路１１が脱調状態になることがある。このような場合、脱調検出手段１７は、速度出力手段１４の出力信号を入力し、脱調を判定して目標速度設定手段１６に脱調を出力する。従って、目標速度設定手段１６は、モータ駆動回路１１の脱調を確実に検知することができる。そして、目標速度設定手段１６は目標速度を停止に切り替え、再び目標速度を設定して再度モータ駆動回路１１を起動させる。

このように、運転時で、センサレスで正弦波駆動している時においても、磁気センサによって脱調を検出する。従って、脱調して回転子４が停止しても、モータ電流より推定した速度によることなく磁気センサ１３で確実に検出できるので、信頼性の高いブラシレスＤＣモータの駆動装置が得られる。

以上で説明したモータ駆動回路１１、モータ制御回路１５については、図７に示すレンジフード１９のような換気送風装置に適用することができる。

レンジフード１９はキャビネット１８の内部にブラシレスＤＣモータ２およびモータ制御回路１５を取り付けた構造としており、ブラシレスＤＣモータ２はモータ駆動回路１１が内蔵される。ブラシレスＤＣモータ２には送風ファン２２を取り付け、レンジフード１９の下部にフード２１およびフィルタ２０が取り付けられた構造としている。台所で調理する時に発生する熱気、煙や蒸気はブラシレスＤＣモータ２に取り付けられた送風ファン２２が回転することによって、フード２１の中央部分よりフィルタ２０を通して送風される。

モータ駆動回路１１はインバータ回路１、シャント抵抗５、モータ電流変換手段６、位置推定手段７、モータ電圧制御手段８、起動強制運転手段１０、磁気センサ１３、速度出力手段１４から構成され、モータ制御回路１５は目標速度設定手段１６と脱調検出手段から構成されており、モータ制御回路１５の目標速度設定手段１６から出力される目標速度によって運転、停止される。また、モータ駆動回路１１の速度出力手段１４から出力される速度信号によって、モータ制御回路１５の脱調検出手段１７は、ブラシレスＤＣモータ２の脱調を判断し、脱調している場合は再起動させるものである。

これにより、レンジフードのような羽根が大型で重い場合においても、素早く起動し、例えば、熱気、煙や蒸気をすばやく排出でき、羽根が空転している場合でも異音の発生が無く、低騒音で起動できる換気送風装置が得られる。

また、起動時や運転時において、低騒音にすることができ、さらに、運転時に羽根が停止していてもより、磁気センサにより停止していることがわかるので、再起動でき、信頼性の高い換気送風装置が得られる。

なお、磁気センサは１個としたが、磁気センサ３個を１２０°毎にずらして配置し、回転子位置信号の組合せによって起動した場合、回転方向を検出し、逆方向の回転や、逆転から正転に起動することもでき、その作用、効果はかわらない。

本発明にかかるブラシレスＤＣモータの駆動装置は、羽根以外の負荷においても、確実に回転子位置および速度を推定し、素早く起動するとともに、運転時は、センサレスで正弦波駆動するので、低騒音にすることができるので、換気送風機以外の装置の駆動装置として有用である。

１ インバータ回路
２ ブラシレスＤＣモータ
３ 固定子
４ 回転子
５ シャント抵抗
６ モータ電流変換手段
７ 位置推定手段
８ モータ電圧制御手段
１０ 起動強制運転手段
１１ モータ駆動回路
１２ 直流電源
１３ 磁気センサ
１４ 速度出力手段
１５ モータ制御回路
１６ 目標速度設定手段
１７ 脱調検出手段

Claims (4)

1. 直流電源に複数のスイッチング素子をブリッジ接続してなるインバータ回路とシャント抵抗を接続し、前記インバータ回路を介して接続された３相の巻線が巻かれた固定子と表面磁石が施された回転子を有するブラシレスＤＣモータと、
   目標速度を設定する目標速度設定手段と、
   前記シャント抵抗に発生する電圧を入力し、モータ電流に変換するモータ電流変換手段と、
   前記回転子の磁極から回転子位置を検出する１個の磁気センサと、
   起動時には、前記磁気センサから得られる回転子位置信号に基づいて回転子位置および速度を推定してモータ電圧制御手段に出力する起動強制運転手段と、
   運転時においては、前記モータ電流変換手段から出力されたモータ電流から回転子位置および速度を推定する位置推定手段と、
   回転子位置および速度と、前記目標速度設定手段から出力される目標速度との差からモータ電圧を決定し、前記インバータ回路に出力する前記モータ電圧制御手段とを備え、
   起動時においては、
   前記モータ電圧制御手段は、前記起動強制運転手段が決定した回転子位置および速度の信号を入力してモータ電圧を決定することにより低周波同期制御で前記回転子を回転させ、前記低周波同期制御により前記回転子が回転することで前記磁気センサから得られる回転子位置信号が変化すると、前記起動強制運転手段は前記変化した回転子位置信号に基づいて前記回転子の位置と速度と補正し、前記モータ電圧制御手段は、補正された前記位置と前記速度とに基づいて回転子の速度を増加させてモータ電流による位置推定に切り替えるための目標速度にし、
   前記モータ電流による位置推定に切り替えるための目標速度になった後の運転時においては、
   前記モータ電圧制御手段は、前記位置推定手段が決定した回転子位置および速度の信号と、前記目標速度設定手段により設定された目標速度とを入力し、モータ電圧を決定して正弦波駆動するブラシレスＤＣモータの駆動装置。
2. 前記起動強制運転手段は、起動時に磁気センサの回転子位置信号を入力し、信号が変化して回転子が空転していると判断した場合、回転子位置信号に基づいて回転子位置および速度の信号を推定してモータ電圧制御手段に出力する請求項１記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
3. 磁気センサから得られる回転子位置信号を速度信号に変換する速度出力手段と、
   前記速度出力手段が出力する速度信号と前記目標速度設定手段が出力する目標速度を比較し、前記回転子の回転速度が、前記目標速度設定手段が出力する目標速度に到達していないと判断した場合、目標速度設定手段に脱調信号を出力する脱調判断手段とを備え、
   前記目標速度設定手段は、前記脱調判断手段が出力する脱調信号を入力して、前記目標速度設定手段が出力する目標速度を一旦停止に切り替えた後、再び前記モータ電流による位置推定に切り替えるための目標速度を設定して再度起動させるようにした請求項１乃至請求項２記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置。
4. 請求項１乃至３いずれかひとつに記載のブラシレスＤＣモータの駆動装置を搭載した換気送風装置。

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